基于底盤測功機重型車排放試驗NOx不確定度評估

王鳳濱 邸少偉 劉 辰

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

近年來環(huán)保問題深受社會各界重視，機動車污染是其中關注的焦點，而重型車污染物排放問題是其重中之重，重型車主要排放污染物為NOx。依據(jù)GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》[1]，基于底盤測功機使用全流定容稀釋系統(tǒng)測量重型車NOx排放是準確而有效的檢測方法。為了更加準確地了解NOx測量結(jié)果的精確性和可信度，特對其不確定性進行評估。

1 評定依據(jù)

測量的目的是為了確定被測量的量值，測量結(jié)果的品質(zhì)是量度測量結(jié)果可信程度的最重要的依據(jù)。測量不確定度是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。因為一切測量結(jié)果都不可避免地具有不確定度，所以測量結(jié)果表述必須同時包含賦予被測量的值及與該值相關的測量不確定度，才是完整并有意義的。

本文將依據(jù)中華人民共和國國家計量技術規(guī)范JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[2]中標準不確定度的A、B類評定標準，對重型柴油車整車NOx排放測量的不確定度進行評估。

2 試驗方法

與輕型車輛排放認證體系不同，重型車輛的認證是通過發(fā)動機臺架試驗完成的，即檢測發(fā)動機性能狀況，在臺架檢測發(fā)動機排放性能，完成排放認證，而不是如輕型車輛排放認證體系一樣通過檢驗整車評價和檢驗排放性能。這是由于重型車種類和用途繁多，作業(yè)情況復雜導致的，g/km指標不能很好地評價排放狀況，重型車最終的限值評價基于g/（kW·h）的比排放指標進行。

重型車排放試驗采用C-WTVC循環(huán)[3]，C-WTVC是在全球重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（WTVC，Word Transient Vehicle Cycle）的基礎上，通過調(diào)整WTVC的加速度和減速度形成的，并結(jié)合國內(nèi)大部分車輛的行駛特點，完善形成的中國重型商用車循環(huán)。其適用于質(zhì)量大于3 500 kg的重型車，共分3個階段，其中1～900 s為城市工況，900～1 368 s為公路工況，1 368～1 800 s為高速工況。與輕型車不同的是重型車NOx排放結(jié)果并非通過分析氣袋中NOx得到結(jié)果，而是通過加熱型分析儀連續(xù)取樣讀取NOx濃度值，按照試驗循環(huán)分階段積分加和后得到NOx排放結(jié)果。

試驗通過環(huán)境倉控制環(huán)境溫濕度，底盤測功機模擬車輛道路行駛阻力，全流稀釋定容排放系統(tǒng)測量NOx排放值，所用試驗設備型號如表1所示。

表1 試驗設備表

3 不確定度來源分析

重型柴油車整車NOx排放的影響因素較多，試驗系統(tǒng)圖如圖1所示，根據(jù)法規(guī)和試驗經(jīng)驗，主要有以下幾個方面：試驗室環(huán)境包括干球溫度和大氣壓力，標準狀況下稀釋氣體容積，NOx濕度修正系數(shù)，污染物的校正濃度，試驗循環(huán)的循環(huán)功，排放分析儀所用標準氣體，NOx分析儀的測量精度，試驗人員操作導致的誤差，主要是駕駛員由于個人習慣在離合、換擋、油門等操作產(chǎn)生的誤差[4]。此外測量重型車NOx排放需要考慮環(huán)境溫度和濕度，故需要將NOx濃度測量時的不同環(huán)境條件修正到標準狀態(tài)（基準溫度和基準濕度），計算過程中需要進行溫度和濕度校正，所以相對于其它氣體排放物NOx排放計算非常復雜，欲得到最終NOx排放結(jié)果，需要多種測量儀器對多個參數(shù)進行測量才能得到最終結(jié)果。由于測量結(jié)果的精度不同對最終結(jié)果有很大影響，通過分析各個測量分量對最終結(jié)果的測量不確定度的靈敏度系數(shù)，得出各個測試設備精度的要求，達到提高精度，并最終計算重型柴油車整車NOx排放測試的不確定度。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

4 不確定度評估計算

4.1 NOx測量的A類不確定度

試驗中某些因素無法使用計算公式量化評估其對試驗結(jié)果的影響程度，統(tǒng)稱之為A類不確定度，本試驗中包括試驗室的環(huán)境中大氣壓力和干球溫度，試驗人員操作，A類不確定度可以通過試驗重復性計算使用重復性評估。

試驗車輛為一輛歐Ⅵ重型柴油貨車，滿載質(zhì)量為4 495 kg，試驗室大氣壓力為101.3 kPa，溫度設定控制25℃，濕度設定45%，燃油采用0號柴油，試驗前加滿燃油，試驗過程中使用同一個駕駛員。10次試驗結(jié)果如表2所示。

表2 排放試驗NOx統(tǒng)計表

計算公式

將各次試驗數(shù)據(jù)代入公式，計算得到平均值為0.530 g/（kW·h），不確定度為0.004 g/（kW·h），A類相對不確定度為0.83%。

4.2 NOx測量的B類不確定度

根據(jù)GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》可知，重型柴油機排放NOx的比排放量計算公式為：

式中：Mi為NOx比排放，單位為g/（kW·h），Vmix為標準狀況下稀釋氣體容積，單位為m3，Qi為標況下污染物密度，單位為g/L，試驗采用法規(guī)規(guī)定值，2.053 g/L，在此不做討論，k為NOx濕度修正系數(shù)，Ci為污染物的校正濃度，Pi為C-WTVC循環(huán)的循環(huán)功。

4.2.1 稀釋氣體容積不確定度

重型車排放污染物測試系統(tǒng)采用文丘里管測定稀釋氣體容積，10次試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 稀釋氣體容積統(tǒng)計表

采用式（1）和（2）計算，得到平均值為 1 509.1 m3，不確定度為13.7 m3，相對不確定度為uB1=u（Vmi）x=0.91%。

4.2.2 修正系數(shù)的不確定度

修正系數(shù)k計算公式為

式中：Ha為進氣的絕對濕度，g水/kg干空氣。Ha計算公式為

式中：Ra為相對濕度，Pd為飽和蒸汽壓，PB為大氣壓力，kPa；

飽和蒸汽壓Pd計算公式為

進氣飽和蒸汽壓Pd可根據(jù)進氣溫度通過查飽和蒸汽壓與溫度關系表得出A，B，C的值。

根據(jù)儀器報告，壓力計相對不確定度為1%，溫度計和濕度計不確定度為1%，計算得到uB2=uk=0.95%。

4.2.3 分析儀測量濃度的不確定度

分析儀測量NOx不確定度來源于兩個方面，一是分析儀精度，二是標準氣體不確定度[5]。氣體分析儀的誤差分布屬于矩形（均勻）分布，測試誤差為1.0%，NOx標準氣體的不確定度為u31=1%。

4.2.4 循環(huán)功的不確定度

式中：M為發(fā)動機凈轉(zhuǎn)矩，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，f1為轉(zhuǎn)矩百分比，f2為摩擦轉(zhuǎn)矩百分比，MC為參考轉(zhuǎn)矩，為定值，單位N·m。OBD讀取轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)相對不確定度為1.0%。根據(jù)JJF1059-1999所提供的測量不確定度計算方法，計算各個分量的不確定度。各分量互不相關，由不確定度的傳播率可以得到功率P的不確定度為：uB4=uPi=1.22%。

5 計算結(jié)果

計算得到uB=1.08%，即B類不確定度為1.08%。由此得到NOx不確定度為

u=1.36%

計算擴展不確定度時，包含因子k為2，

u95=2.72%

6 結(jié)論

本文依據(jù)不確定度評定方法，根據(jù)重型車排放測量方法，從重型車排放污染物測試設備、循環(huán)功參數(shù)讀取設備、試驗環(huán)境、人員操作等方面對NOx不確定度進行分析，評估各因素對測量NOx影響，提出計算NOx的方法。從結(jié)果可知，A類不確定度占擴展不確定度的30.5%，說明試驗重復性操作對試驗結(jié)果影響較小，試驗結(jié)果穩(wěn)定，試驗系統(tǒng)的測試精度是影響不確定度的主要因素。通過本次NOx不確定度的評定，得到其擴展不確定度，保證了排放試驗NOx重復操作測量的穩(wěn)定性。